仿真技术在配网自动化的应用探讨

作者：四川电力试验研究院 蒋乐 陈岭

欢迎访问e展厅 展厅 6 配电输电设备展厅 电力电缆, 电气控制柜, 配电箱, 电抗器, 断路器, ... 摘要： 通过对配电网络与输电网络在网络结构及其对自动化要求的主要差异进行分析，阐明在配网 自动化的发展规划和人员培训方面，仿真技术不能按照输电自动化中已有的应用方式进行 在此基础上提出了仿真技术在配网自动化发展规划和人员培训方面如何应用的看法。 关键词：仿真技术；配网自动化；发展规划；人员培训 配电自动化是电力自动化中一个新的发展方向，它包括变电站自动化、馈线自动化、用户自 动化和配电管理自动化等内容。其中，对10 kV及以下电压等级的配电网络（简称配网）， 包括馈电线路、开闭所、小区配电所、配电变压器和电容器组等的自动化称为配网自动化。 配网自动化是配电自动化中涉及新的研究课题较多，工作量较大而又刚刚起步的新领域。 为确保配网自动化卓有成效地进行，各电力企业对其发展规划和人员培训工作都极为重视， 国家电力公司也对此提出了明确的要求。因此从仿真技术的应用角度出发，对如 何搞好配网自动化的发展规划和人员培训工作进行探讨。 1 配电自动化与输电自动化简略回顾 输电自动化，包括电网调度自动化、输电系统控制、远动、通信、继电保护和变电站自动化 等，是电力自动化中起步较早，并已取得较为成熟技术的自动化系统。现在，输电自动化已 形成由能量管理系统（EMS），实时监控及数据采集系统（SCADA），调度自动化系统，输电 变电站自动化系统及潮流计算、稳定计算、短路计算和系统规划等高级分析软件组成的庞大 的自动化体系。在仿真技术的应用方面，已有的RTDS和EMTP等数字仿真系统，实现了与传统 电力系统动态模拟的良好结合，建立了不同形式的数字仿真——动态模拟混合仿真系统。这 些数字仿真软件和混合仿真系统，在输电运行自动化的新技术研究和新产品开发等方面，已 发挥了十分重要的作用。在人员培训方面，已有的专门用于运行操作技能培训的各级调度员 培训仿真系统（DTS）和变电站运行人员培训仿真系统，取得了很好的人员培训效果。 在配电自动化中，较早起步的是配电变电站自动化和用户自动化（如负荷控制和电力营销管 理等）。由于其具有与输电自动化的较多共性，其技术和产品也就易于通过“移植”和“改 进”输电自动化的相关技术和产品的方式取得。因此，配电自动化在这两方面的发展较快， 并已取得一定成效。但是，由于配电网络和输电网络，在网络结构及其对自动化的要求上存 在着较大差异，其技术和产品也就很难通过“移植”和“改进”的方式取得。面对配网自动 化提出的各种新课题，只能从新的角度去思考并加以研究解决。 2 配电网络同输电网络对自动化要求的主要差异 1） 输电网络为网状结构。输电线路不分段，更不会从分段上T接出输电线路。网络运行方 式相对固定，故障概率较小，不会经常进行负荷转带和网络重构。而配电网络为辐射状结构 ，并包含一定数量的环网。配电线路可能要分成几段，从每一分段上又要T接出一定数量的 馈电线路。网络运行方式不固定，故障概率较大，需要经常进行负荷转带和网络重构。由于 网络结构和运行特征上的很大差异，使在输电自动化上已很成熟的高级分析软件，例如潮流 计算和网络规划等，在配网自动化上就不能使用。在输电自动化上不存在的对馈线各分段进 行故障定位，隔离和尽快对非故障段恢复送电，以及负荷转带和网络重构问题，在配网自动 化上就成了衡量自动化水平和效果的主要问题。 2）输电网络主要是大电流接地系统，而配电网络主要是小电流接地系统。在输电自动化中 没有对小电流接地系统的问题进行深入研究。在配电网络中的已有技术，也不能满足配网自 动化对馈线单相接地故障时，对各分段进行快速检测、定位和排除故障的需要。这就要求进 行更深入的研究。 3) 输电网络较易建成与之完全配套的通信网络，其实时运行数据可 以通过SCADA系统取得。网络元件的参数和数学模型已基本齐全，网络的建模和分析计算方 法已基本成熟。而在配电网络中，难于建成与之完全配套的通信网络，其实时运行数据有相 当大的一部分不能通过SCADA系统取得。网络元件的参数和数学模型，特别是连接在配网上 的需求方用电和发电设备的参数和数学模型，有一部分也是未知数。网络建模和分析计算方 法，也还需要进一步研究。因此，在配网自动化中，存在着大量的不确定因素需要解决。 4) 输电网络跨越的地理范围大，详细的地理信息对输电网络不是太重 要。而配电网络复盖的地理范围小，网络设备的分布又较密集。特别是在城市的中心区，地 理信息对于配电网络已经至关重要。因此，在配网自动化中，一定要具有以地理信息系统（ GIS）为中心的自动绘图（AM）和设备管理（FM）的良好功能，即AM/FM/GIS功能。同时，还 要实现AM/FM/GIS和SCADA系统的一体化。 5) 输电网络拥有一整套分工明确、训练有素的输电自动化专职工作人 员，包括各级调度员，变电站运行人员，以及运行方式、继电保护、远动通信和计算机的工 作人员等。而配电网络却没有这一套自动化的专职工作人员。由于配网自动化尚处于刚刚起 步阶段，无论从自动化的模式和软硬件产品方面，还是从配网工作人员运行、管理自动化系 统的操作技能和实际经验方面，配网自动化同输电自动化相比都存在着相当大的差距。因而 ，配网自动化的人员培训工作不仅更加重要，而且应有新的特色。 3 仿真技术应用于配网自动化发展规划的探讨 要搞好配网自动化的发展规划，就必须拥有一套针对所规划配网的分析研究软件。但是，配 网中存在的各种不确定因素，例如，网络元件参数和数学模型的未知，实时运行数据的缺损 ，以及输电自动化中已有的潮流计算等分析软件的不适用，都给建立一套实用的配网发展规 划软件带来了困难。解决这个困难的一种有效方法，就是应用仿真技术。 3.1 建立模型 在配电自动化系统中，为了实现智能配电功能，必须建立配电网的数学模型并分析配电网的 潮流。传统的电力系统分析采用N-R法、P-Q分解法和B-X法等方法。上述方法由于需要将配 电网上的每台配电变压器都看作是节点，从而导致矩阵非常庞大，严重影响处理速度。更不 利的是，为了降低建设费用，配电线路上通常只有柱上开关的量测是可以满足计算要求的， 而配电变压器一般均不安装量测设备，导致传统方法由于严重缺乏量测数据而无法得出潮流 。 目前较常用的配电网络数学模型有三种，即等效线损模型 （Equivalent Line Loss Model ——ELM）、等效电压降落模型 （Equivalent Voltage Drop Model——EVM）和混合模型 （Hybrid Model——HM）。在这些模型中，将一条线路上的所有负荷用一个等效负荷来表 示，但是仍必须确切地知道各个负荷（即配电变压器供出的负荷）的值以及各个负荷间的阻 抗，而实际上由于缺乏量测点，这些数据一般是难于获得的。分析研究表明如果采用将一条 馈线上的负荷看作是在线路上均匀分布的简化处理方法，建立负荷均匀分布模型（Even Loa d Model——EVEN），将得出沿线的电压降落和线损结果，并得出潮流，这不失为仿真模型 建立的有效方式。 为了进行配网系统仿真，除了配电网络各元件的参数（例如开关、变压器等）以及网络接 线形式等必要的仿真输入数据以外，还必须收集与仿真初始条件及系统内部变量有关的数据 ，例如线损、负荷分布等。因此需要对真实配网系统的这些参数，或类似系统的这些参数作 必要的统计调查，通过分布拟合、参数估计以及假设检验等步骤进行确认，并结合实际电气 接线方式和运行情况建立起一套仿真EVEN数学模型。对不适用于配网运行的分析软件，应用 类似XSLT、Nucleus等实时调试软件进行新的开发和验证，可以得到适合于配网发展规划要 求的高级分析软件。然后，使用智能化的网络建模工具（例如Foresight、HLA LabWorks、M ATLAB等），依据所规划配网的网络结构，网络已有的实际数据、实际数学模型和应用仿 真技术建立的仿真数据、仿真数学模型，建立起对应于所规划配网的初始数学模型和初始数 据库。接着，再应用类似MATLAB的综合性分析软件，对初始的网络数学模型和数据进行估计 、辨识和校正。这是一个需要多次运算的过程。运算初期，设置的辨识标准较低，用以完成 对偏差较大的数学模型和数据的估计、辨识和校正工作。随着运算次数的增加，辨识的标准 逐步提高，最后，使所建立的网络数学模型和数据库的偏差，能满足配网发展规划软件对数 据精度的要求为止，完成仿真模型的建立。对发展规划软件中使用的潮流计算、故障分析、 负荷预测、电压控制与无功优化、故障定位、隔离与恢复送电、负荷转带与网络重构，以及 配电可靠性统计分析等高级分析软件，应采用分析功能强，使用灵活、方便，计算精度高的 版本。 3.2 模型运算改进 由于配网的发展规划软件是属于分析研究型的软件，不要求其具有实时性。其计算时间，可 以放宽要求，即可以部分降低实时性，例如部分数据可以采取离线运算的方式进行或可设定 数据运算优先级，对模型真实性和可靠性影响不大的数据不必要求其立即加入到模型的运算 中。 并且无需对所有小阻抗支路进行详细仿真，断路器可作为逻辑设备来模拟，并使用开关潮流 计算方法，这样不仅电网计算规模和数据库规模大大降低，计算速度大大加快，潮流收敛性 和计算精度也将明显改善。 3.3 应用 对于电力企业来说，无论其是否已经进行配网自动化的试点，也无论其配网自动化已经达到 什么样的水平，尽早拥有一套适合于所管理配网要求的发展规划软件，以及相应的网络数学 模型和数据库是十分必要的。这是电力企业开展配网自动化的最重要基础工作之一。且由于 配网发展规划仿真软件来源于实际，用于实际，不仅可以使研发人员和工作人员在不断的学 习使用中完善该软件系统；而且基于该软件系统的科学性和实用性，将之用于新运行方式、 新管理方法的论证也将成为电力企业降低生产成本和提高生产效率的有效途径之一。 4 仿真技术应用于配网自动化的人员培训探讨 人员培训工作始终是自动化系统中一项至关重要的工作。由于配网自动化具有许多与输电自 动化的不同点，其中，特别是配电网络结构的特殊性和复杂性，对馈线各分段的故障定位、 隔离和尽快对非故障段的恢复送电，经常发生的负荷转带和网络重构，配网自动化的模式和 产品的差异，AM/FM/GIS功能的实现及其与SCADA的一体化，以及配网自动化工作人员对培训 的特殊要求等，都要求配网自动化不能再套用输电自动化已有的人员培训方式进行。例如， 不应当再单独建设象调度员仿真培训系统那样专门的人员培训系统，也不应当在人员培训系 统上再配置专职的教练员。对配网自动化较为适合的人员培训方式是，在每一个配电自动化 的主站系统中，都必须配备一套对应于配网自动化的仿真培训软件。这套软件，通过与主站 系统相连的计算机网络，可以由本地工作站或远方工作站随时使用。 表面看来，这种仿真培训方式，同输电自动化中已建立的仿真培训系统似乎没有多大差别。 但事实上，在这两者之间是存在着明显不同的。 首先，在输电自动化中，不是所有的输电网络都配备了仿真培训系统。而在配网自动化中， 应对所有实现自动化的配电网络，都配备仿真培训软件。其次，配网自动化的仿真培训软件 ，将严格按照无教练员和无教练员台的工作方式进行设计和研制。参照仿真技术在相关领域 的应用经验，研制比现有教练员台软件功能更强，使用更灵活的“教学指导”软件和“学习 评价”软件。采用由被培训人员自行选择不同的“教案设置”等运行方式，使仿真培训软件 在没有教练员和教练员台操作的情况下，通过被培训人员的“自学”或“互学”，取得同样 的仿真培训效果。 此外，配网自动化仿真培训软件的功能，除了要具有类似于调度员仿真培训系统和变电站仿 真培训系统的功能外，还要求特别要对馈线故障时，对非故障区域的尽快恢复送电，对负荷 转带和网络重构，以及对AM/FM/GIS功能及与SCADA系统的一体化等运行操作技能进行重点的 培训。使配网自动化的工作人员，对其管理的配电网络及其自动化方式非常熟悉，一旦出现 故障或异常运行状态，就能以快速的应变能力和熟练的操作技能进行处理，从而充分发挥配 网自动化系统的功能，进一步提高配电网络的运行可靠性、经济性和电能质量。 5 结束语 仅从发展规划和人员培训两个方面，探讨了仿真技术在配网自动化的应用前景。由于仿真技 术是一门应用十分广泛的技术，在配网自动化领域，其应用前景是十分宽广的。例如，数字 仿真软件，动态模拟，数字仿真——动态模拟混合仿真系统，都是研究配网自动化的新技术 、新产品和新方案必不可少的研究工具。 期望起到抛砖引玉的作用，使国内更多的企业、科研单位和专业技术人员，进一步关注配网 自动化的发展。通过共同努力，中国的配网自动化，一定会较快地提高到一个崭新的水平。(end)

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